大采高工作面過陷落柱回采工藝及支架適應(yīng)性研究

朱 曄（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)?。ū本┝W(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

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大采高工作面過陷落柱回采工藝及支架適應(yīng)性研究

朱 曄
（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

摘 要針對(duì)成莊礦5310大采高工作面推進(jìn)過程遇到陷落柱的特殊開采條件，提出了過陷落柱的淺截深回采工藝，確保了工作面的連續(xù)推進(jìn)；通過對(duì)過陷落柱期間液壓支架工作阻力的監(jiān)測(cè)分析，得出了過陷落柱期間工作面頂板壓力顯現(xiàn)規(guī)律，并對(duì)支架進(jìn)行了適應(yīng)性驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞大采高工作面 過陷落柱 開采工藝 淺截深 支架適應(yīng)性

陷落柱是由于巖溶現(xiàn)象而產(chǎn)生的一種特殊的地質(zhì)現(xiàn)象，可溶性巖層在地下水的劇烈溶蝕作用下產(chǎn)生溶洞，由于溶洞的存在，上覆巖層會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)和塌陷，最終發(fā)育成一個(gè)筒狀柱體。成莊礦5310工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，開采范圍內(nèi)有多個(gè)陷落柱直接影響到工作面推進(jìn)，大采高工作面采煤方法適應(yīng)性強(qiáng)，在復(fù)雜地質(zhì)條件下能夠滿足工作面的回采要求。為滿足安全高效生產(chǎn)的需要，工作面在過陷落柱階段必須采用特殊的回采工藝。液壓支架作為維護(hù)采場(chǎng)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其對(duì)特殊地質(zhì)條件的適應(yīng)性是保證大采高工作面安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

1　工程概況

5310工作面是成莊礦首個(gè)大采高工作面，該工作面埋深311～461.4 m，工作面走向長(zhǎng)度2540.06 m，工作面長(zhǎng)245.75 m，平均采高5.75 m。在5310工作面開采范圍內(nèi)共有7個(gè)不同規(guī)模的陷落柱，其中，4個(gè)陷落柱會(huì)對(duì)工作面的開采造成直接影響。陷落柱的存在造成其周圍出現(xiàn)煤體與頂板的破碎帶，給工作面的正常推進(jìn)造成一定程度的影響。各陷落柱的發(fā)育情況詳見表1。

表1　陷落柱發(fā)育情況

2　過陷落柱期間回采工藝

2.1 過陷落柱采高調(diào)整

陷落柱周圍的煤體及頂板會(huì)出現(xiàn)異常破碎帶，5310工作面從切眼開始按5.5 m采高正常推進(jìn)，推進(jìn)116 m后遇到X121陷落柱，工作面保持沿底推進(jìn)，同時(shí)開始調(diào)整采高。工作面繼續(xù)推進(jìn)10 m后，工作面整體采高調(diào)整至5.0 m。過陷落柱期間39#～69#支架與陷落柱直接接觸，在調(diào)整采高的同時(shí)，工作面推進(jìn)至距切眼127 m時(shí)，以底板抬起的方式將該區(qū)段采高調(diào)整為4.0 m。陷落柱兩端各10架支架范圍為采高過渡區(qū)，過渡區(qū)適當(dāng)留底煤，并與陷落柱區(qū)域支架保持一個(gè)坡度，有效防止了支架鉆底現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 采煤機(jī)割矸

工作面回采過程中遇到的陷落柱巖性為泥巖，泥巖強(qiáng)度較低，5310工作面配備的JOY 7LS6C型采煤機(jī)切割能力較強(qiáng)，具有切割陷落柱區(qū)域泥巖的能力。為保證大采高工作面安全高效生產(chǎn)，工作面應(yīng)快速通過陷落柱構(gòu)造帶。經(jīng)分析研究，選擇采煤機(jī)割矸直接過陷落柱為安全可行的方案。

過陷落柱期間工作面將會(huì)通過矸石斷面，一般采用兩種破矸方法，當(dāng)陷落柱矸石較軟時(shí)，可使用采煤機(jī)直接破矸，但采用此方法采煤機(jī)將受到較大損害；當(dāng)陷落柱矸石較硬時(shí)，可先采用震動(dòng)爆破松動(dòng)矸石，然后再用采煤機(jī)掃矸。但無論是哪一種方法，采煤機(jī)如果采用全截深一次進(jìn)刀都會(huì)在煤體破碎區(qū)內(nèi)增大端面距，容易引起煤體片幫，甚至冒頂。因此，通過對(duì)回采工作面地質(zhì)情況與開采設(shè)備的分析研究，提出過陷落柱的淺截深回采工藝。

第一步進(jìn)刀。頂板支護(hù)支架采用最小控頂距，采煤機(jī)截深0.45～0.5 m，采用工作面端頭斜切進(jìn)刀方式，采煤機(jī)往返一次割兩刀煤，正常割煤時(shí)采煤機(jī)牽引速度為8～12 m/min，過陷落柱時(shí)速度降為2～4 m/min。

第二步采煤機(jī)割第一刀煤。前滾筒收起至護(hù)幫板下方0.1 m左右，前滾筒通過之后，若空間充足，先調(diào)整好伸縮梁，將一級(jí)護(hù)幫板外伸至煤壁，二級(jí)護(hù)幫板緊貼煤壁護(hù)幫；若空間不允許，可先伸出一級(jí)護(hù)幫板，待采煤機(jī)后滾筒通過之后再將剩余護(hù)幫板外伸至煤壁。然后將刮板輸送機(jī)成組推進(jìn)0.45～0.5 m，割煤時(shí)，若頂煤離層掉落，及時(shí)伸出伸縮梁，并在合適的地方伸出護(hù)幫板，以防冒頂，采煤機(jī)沿工作面割煤過程中，當(dāng)采煤機(jī)距陷落柱約10 m時(shí)，開始調(diào)整采高，保證采煤機(jī)破落陷落柱矸石時(shí)采高控制在5.0 m，根據(jù)陷落柱矸石堅(jiān)硬程度，采煤機(jī)牽引速度控制在2～4 m/min。

第三步采煤機(jī)割第二刀煤。滾筒采取挑頂臥底的方式割煤，采煤機(jī)截深保持不變，為方便采煤機(jī)后滾筒正常割煤，前滾筒割2～3架支架寬度的煤之后再移支架，一個(gè)完整循環(huán)包括及時(shí)支護(hù)、護(hù)幫、成組推移輸送機(jī)。

2.3 支架控制及頂板管理技術(shù)措施

由于陷落柱的影響，陷落柱矸體及周圍的煤體較破碎，坡度、傾角變化較大，頂板控制較困難。5310工作面過陷落柱期間重點(diǎn)采取控制支架進(jìn)行頂板管理。

（1）確保液壓支架處于良好的工作狀態(tài)，過陷落柱期間液壓支架初撐力維持在26 MPa以上，除護(hù)幫板必要的轉(zhuǎn)動(dòng)空間外，支架盡量不留傘檐，支架移架后處于最小控頂距狀態(tài)。

（2）保證支架在端頭及陷落柱兩側(cè)采高過渡區(qū)處于良好接頂狀態(tài)，避免倒架、咬架情況的發(fā)生。

（3）頂板及時(shí)支護(hù)，應(yīng)采取帶壓擦頂移架，片幫時(shí)，一級(jí)護(hù)幫板護(hù)幫困難或空間太小時(shí)，可采取伸縮梁外伸以支護(hù)頂板。

（4）留頂煤區(qū)域，采高控制在4.5 m以上，過渡段底板抬起，頂板留設(shè)煤體。

（5）頂板破碎掉矸、漏矸時(shí)，及時(shí)穿板梁控制頂板，防止范圍擴(kuò)大。工作面大面積來壓時(shí)，馬上停工，加強(qiáng)支護(hù)，情況嚴(yán)重時(shí)立即向調(diào)度室和值班人員匯報(bào)并撤出人員。

（6）堅(jiān)持礦壓觀測(cè)、支架工作阻力觀測(cè)，分析支架工作狀態(tài)、來壓步距及來壓強(qiáng)度，提前、及時(shí)采取相關(guān)措施。

3　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

3.1 工作面測(cè)點(diǎn)布置

在5310工作面共選取6架液壓支架作為測(cè)點(diǎn)，其中工作面上端部2架，工作面中部2架，工作面下端部2架。自工作面揭露第一個(gè)陷落柱開始直至工作面推過最后一個(gè)陷落柱，監(jiān)測(cè)記錄工作面推進(jìn)過程中支架阻力，分析5310工作面頂板壓力顯現(xiàn)規(guī)律。

3.2 過陷落柱階段支架工作阻力實(shí)測(cè)與分析

以支架平均循環(huán)末阻力及其均方差之和作為評(píng)判頂板周期來壓的主要依據(jù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:P′t——頂板來壓判據(jù)，k N；

-Pt——循環(huán)末阻力的平均值，k N

σp——循環(huán)末阻力平均值的均方差，k N；

n——總循環(huán)數(shù)；

Pti——循環(huán)末阻力實(shí)測(cè)值，k N。

各支架來壓判據(jù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　周期來壓評(píng)判依據(jù)　k N

自工作面揭露陷落柱時(shí)開始記錄推過所有陷落柱期間的支架工作阻力，結(jié)合表2求得的頂板來壓判據(jù)，可做出支架循環(huán)末阻力及時(shí)間加權(quán)平均工作阻力曲線圖。由于篇幅所限，現(xiàn)僅作出53#支架過X123陷落柱期間支架的循環(huán)末阻力與時(shí)間加權(quán)平均工作阻力曲線圖，如圖1所示。

圖1　53#架循環(huán)末阻力與時(shí)間加權(quán)平均工作阻力曲線圖

由圖1可知，工作面過X123陷落柱及正常推進(jìn)期間，老頂沒有來壓時(shí)，支架末阻力及時(shí)間加權(quán)平均工作阻力均處于低支護(hù)阻力狀態(tài)?？傮w時(shí)間加權(quán)平均工作阻力為工作面中部較大，機(jī)頭及機(jī)尾較小。過X123陷落柱期間，由于液壓支架與破碎頂板支架不能完全接觸，故該階段過該陷落柱期間支架的時(shí)間加權(quán)平均工作阻力明顯低于正常推進(jìn)時(shí)的時(shí)間加權(quán)平均工作阻力。

工作面過X123陷落柱及正常推進(jìn)期間，當(dāng)老頂來壓時(shí)，即圖1中的波峰處，循環(huán)末阻力與時(shí)間加權(quán)平均工作阻力明顯增大，已經(jīng)達(dá)到來壓的評(píng)判準(zhǔn)則，其中，支架最大工作阻力已接近支架的額定工作阻力12000 k N。受X123陷落柱構(gòu)造的影響，過陷落柱期間支架的時(shí)間加權(quán)平均工作阻力較正常開采期間明顯增大。

過X123陷落柱期間5310大采高工作面各支架周期來壓步距分布范圍為7.3～29 m，各支架周期來壓平均步距分布為9.1～18.9 m，總體平均來壓步距為12.6 m。其中，工作面機(jī)尾周期來壓步距相對(duì)較小，為10 m左右；工作面機(jī)頭處周期來壓步距明顯大于機(jī)尾，平均達(dá)13.9 m。工作面不同部位支架周期來壓動(dòng)載系數(shù)達(dá)1.16～1.46，支架的平均動(dòng)載系數(shù)為1.31。工作面機(jī)頭平均動(dòng)載系數(shù)相對(duì)較均勻，中部及機(jī)尾隨位置的不同有波動(dòng)現(xiàn)象，中部平均動(dòng)載系數(shù)最大。

3.3 液壓支架適應(yīng)性分析

工作面支架的受力情況與頂板的支護(hù)效果密切相關(guān)，在工作面的不同部位支架的受力情況也呈現(xiàn)一定的差異性，反映了支護(hù)效果及頂板來壓與支架適應(yīng)性的相互作用關(guān)系。通過對(duì)工作面過所有陷落柱期間支架工作阻力和初撐力的監(jiān)測(cè)記錄，統(tǒng)計(jì)分析支架受力在不同區(qū)間的分布情況，對(duì)支架適應(yīng)性進(jìn)行分析研究。

3.3.1 液壓支架初撐力分析

液壓支架初撐力是工作面頂板穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，若初撐力太小將導(dǎo)致頂板支護(hù)的安全性降低，當(dāng)頂板大面積來壓時(shí)立柱將迅速下降，容易引發(fā)安全事故。限于篇幅僅作出53#支架過X123陷落柱階段的初撐力分布如圖2所示。

圖2　53#支架初撐力頻率分布直方圖

通過對(duì)支架初撐力頻率分布統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，液壓支架初撐力過低，工作面液壓支架額定初撐力為7917 k N，所監(jiān)測(cè)的液壓支架初撐力多分布在2626.7～4143.5 k N，為額定初撐力的2.1%～44.5%，平均只有2888.3 k N，為額定初撐力的36.5%，說明初撐力整體過低。因此，在支架操作過程中，要加強(qiáng)管理，提高支架初撐力，充分利用支架初撐力對(duì)圍巖的控制作用。

3.3.2 液壓支架工作阻力分析

液壓支架的工作阻力在不同區(qū)間的百分比分布可作為支架性能與頂板沖擊程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，理想的工作阻力分布應(yīng)該呈正弦波分布。限于篇幅僅作出53#支架過X123陷落柱期間工作阻力頻率分布直方圖，如圖3所示。

圖3　53#支架工作阻力頻率分布直方圖

通過對(duì)過X123陷落柱階段各支架的工作阻力分布情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，53#支架為較合理的正態(tài)分布。支架工作阻力頻率分布峰值為左側(cè)峰值，這是由于支架架設(shè)時(shí)多數(shù)處于低初撐力狀態(tài)，因而不能完全發(fā)揮其對(duì)頂板的支撐作用，從而導(dǎo)致大多數(shù)支架處于低工作阻力狀態(tài)；其他支架工作阻力頻率分布均出現(xiàn)雙峰值分布，5000 k N以下的工作阻力占半數(shù)以上且10000 k N以上有較少分布，說明支架在整個(gè)工作過程中呈兩種工作狀態(tài)，即平時(shí)低初撐力、低工作阻力狀態(tài)和來壓狀態(tài)，礦壓顯現(xiàn)明顯。

對(duì)支架工作阻力在不同受力區(qū)間的分布統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn)，支架承載多數(shù)低于其額定阻力，支架受載不均造成支架承載能力難以發(fā)揮。通過對(duì)各支架的工作阻力分布對(duì)比發(fā)現(xiàn)，工作面端頭支架受力情況較工作面中部明顯較差，該區(qū)域支護(hù)質(zhì)量差，支架難以發(fā)揮其對(duì)頂板的控制作用，因此，對(duì)端頭支架應(yīng)加強(qiáng)管理。

3.3.3 液壓支架合理工作阻力驗(yàn)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以頂板來壓時(shí)液壓支架平均最大工作阻力和來壓期間支架平均最大工作阻力標(biāo)準(zhǔn)均方差來驗(yàn)算支架的合理工作阻力:

式中:P——支架合理的工作阻力，k N；

Pm——周期來壓時(shí)平均最大工作阻力，k N；

σm——周期來壓時(shí)平均最大工作阻力標(biāo)準(zhǔn)均方差，k N；

K——置信度系數(shù)，取1.5。

根據(jù)表2可知，過陷落柱階段支架平均最大工作阻力Pm為6179.52 k N，來壓期間支架平均最大工作阻力標(biāo)準(zhǔn)均方差σm為1880.18 k N，帶入式（3）可得支架合理的工作阻力為8999.79 k N，所得結(jié)果與支架的額定工作阻力12000 k N的比值為75%。經(jīng)過驗(yàn)算可得，在過陷落柱頂板周期來壓階段，支架的工作阻力有一定的富余，可以應(yīng)對(duì)非正常條件下頂板壓力突然增大的情況。

4　結(jié)論

（1）根據(jù)大采高工作面回采的技術(shù)特征，在工作面過陷落柱時(shí)，提出并制訂了一系列相關(guān)的回采工藝和安全措施，經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證取得良好經(jīng)濟(jì)效益，不僅確保了工作面正常開采，還保證了設(shè)備安全運(yùn)行。

（2）過陷落柱期間5310大采高工作面各支架周期來壓平均步距分布為9.1～18.9 m，各支架周期來壓時(shí)液壓支架平均動(dòng)載系數(shù)分布在1.27～1.38之間?；夭晒ぷ髅骓敯逯芷趤韷壕哂胁煌叫?，工作面下端部周期來壓步距較小，工作面上端部周期來壓步距相對(duì)較大。

（3）工作面過陷落柱階段，液壓支架工作阻力平均值分布在3000～6000 k N區(qū)間中，兩端頭支架工作阻力較低，支架初撐力和末阻力為線性關(guān)系，經(jīng)驗(yàn)算該工作面支架的工作阻力具有一定的富余量，能滿足工作面安全生產(chǎn)。

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（責(zé)任編輯 張毅玲）

Research on mining technology and adaptability of supports during passing collapse column in working face with large mining height

Zhu Ye
（School of mechanics& Civil Engineering，China University of Mining& Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

AbstractAiming at the special mining conditions during passing collapse column in 5310 working face with large mining height in Chengzhuang Mine，mining technology with shallow cutting depth during passing collapse column was put forward，which ensured the face＇s continuous advance.By monitoring and analyzing the working resistance of hydraulic supports during passing the collapse column，the roof pressure behaviors of working face during passing the collapse column were achieved，and the adaptability of supports was verified.

Key wordsworking face with large cutting height，passing collapse column，mining technology，shallow cutting depth，adaptability of support

中圖分類號(hào)TD823

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

作者簡(jiǎn)介：朱曄（1993－），男，碩士，研究方向?yàn)榈叵陆Y(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)。